In diabetes mellitus, vascular complications such as atherosclerosis are a major cause of death. The key underlying pathomechanisms are unclear. However, hyperglycemic oxidative stress derived from NADPH oxidase (Nox), the only known dedicated enzyme to generate reactive oxygen species appears to play a role. Here we identify the Nox1 isoform as playing a key and pharmacologically targetable role in the accelerated development of diabetic atherosclerosis.Human aortic endothelial cells exposed to hyperglycemic conditions showed increased expression of Nox1, oxidative stress, and proinflammatory markers in a Nox1-siRNA reversible manner. Similarly, the specific Nox inhibitor, GKT137831, prevented oxidative stress in response to hyperglycemia in human aortic endothelial cells. To examine these observations in vivo, we investigated the role of Nox1 on plaque development in apolipoprotein E-deficient mice 10 weeks after induction of diabetes mellitus. Deletion of Nox1, but not Nox4, had a profound antiatherosclerotic effect correlating with reduced reactive oxygen species formation, attenuation of chemokine expression, vascular adhesion of leukocytes, macrophage infiltration, and reduced expression of proinflammatory and profibrotic markers. Similarly, treatment of diabetic apolipoprotein E-deficient mice with GKT137831 attenuated atherosclerosis development.These studies identify a major pathological role for Nox1 and suggest that Nox1-dependent oxidative stress is a promising target for diabetic vasculopathies, including atherosclerosis.

Diabetic nephropathy may occur, in part, as a result of intrarenal oxidative stress. NADPH oxidases comprise the only known dedicated reactive oxygen species (ROS)–forming enzyme family. In the rodent kidney, three isoforms of the catalytic subunit of NADPH oxidase are expressed (Nox1, Nox2, and Nox4). Here we show that Nox4 is the main source of renal ROS in a mouse model of diabetic nephropathy induced by streptozotocin administration in ApoE−/− mice. Deletion of Nox4, but not of Nox1, resulted in renal protection from glomerular injury as evidenced by attenuated albuminuria, preserved structure, reduced glomerular accumulation of extracellular matrix proteins, attenuated glomerular macrophage infiltration, and reduced renal expression of monocyte chemoattractant protein-1 and NF-κB in streptozotocin-induced diabetic ApoE−/− mice. Importantly, administration of the most specific Nox1/4 inhibitor, GKT137831, replicated these renoprotective effects of Nox4 deletion. In human podocytes, silencing of the Nox4 gene resulted in reduced production of ROS and downregulation of proinflammatory and profibrotic markers that are implicated in diabetic nephropathy. Collectively, these results identify Nox4 as a key source of ROS responsible for kidney injury in diabetes and provide proof of principle for an innovative small molecule approach to treat and/or prevent chronic kidney failure.

Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) oxidase (NOX) generates reactive oxygen species (ROS) in hepatic stellate cells (HSCs) during liver fibrosis. In response to fibrogenic agonists, such as angiotensin II (Ang II), the NOX1 components form an active complex, including Ras-related botulinum toxin substrate 1 (Rac1). Superoxide dismutase 1 (SOD1) interacts with the NOX-Rac1 complex to stimulate NOX activity. NOX4 is also induced in activated HSCs/myofibroblast by increased gene expression. Here, we investigate the role of an enhanced activity SOD1 G37R mutation (SODmu) and the effects of GKT137831, a dual NOX1/4 inhibitor, on HSCs and liver fibrosis. To induce liver fibrosis, wild-type (WT) and SOD1mu mice were treated with CCl4 or bile duct ligation (BDL). Then, to address the role of NOX-SOD1-mediated ROS production in HSC activation and liver fibrosis, mice were treated with a NOX1/4 inhibitor. Fibrosis and ROS generation was assessed by histology and measurement of thiobarbituric acid reactive substances and NOX-related genes. Primary cultured HSCs isolated from WT, SODmu, and NOX1 knockout (KO) mice were assessed for ROS production, Rac1 activity, and NOX gene expression. Liver fibrosis was increased in SOD1mu mice, and ROS production and Rac1 activity were increased in SOD1mu HSCs. The NOX1/4 inhibitor, GKT137831, attenuated liver fibrosis and ROS production in both SOD1mu and WT mice as well as messenger RNA expression of fibrotic and NOX genes. Treatment with GKT137831 suppressed ROS production and NOX and fibrotic gene expression, but not Rac1 activity, in SOD1mut and WT HSCs. Both Ang II and tumor growth factor beta up-regulated NOX4, but Ang II required NOX1. Conclusions: SOD1mu induces excessive NOX1 activation through Rac1 in HSCs, causing enhanced NOX4 up-regulation, ROS generation, and liver fibrosis. Treatment targeting NOX1/4 may be a new therapy for liver fibrosis. (HEPATOLOGY 2012)